[发明专利]制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法。

背景技术

单光子源是量子计算、量子通信、弱信号测试、量子密钥传输等应用的关键器件。以SK(Stranski-Krastanov)模式生长的低密度量子点，由于可在类二能级体系中周期性地光泵浦或电注入电子、空穴，在低温下具有类原子光谱而用以制备单光子源。它具有高的振子强度，窄的谱线宽度，波长可调谐，且容易集成等优势，从而成为固态量子物理和量子信息器件领域研究的热点。

由于折射率差异，量子点发射的大部分光(98％)几乎都被材料全反射掉。近年来，将单个量子点置于微腔中，如光子晶体、反馈式布拉格平面腔、微柱、微盘结构等，因其增强了量子点的收集效率，而被人们广泛关注。但是目前面临的困难是其制备工艺复杂且很难实现对量子点的精确定位。取而代之的是将量子点与天然可控的“纳米线”结构耦合，于2003年被提出，在InAs／GaAs，InAs／InP，InGaP／InP体系中被验证，且被认为是有效的提高量子点单光子源收集效率的方法。但是由于自催化生长过程中，量子点经常会在纳米线的侧壁成核，如何利用天然的纳米线腔与侧壁的量子点耦合成为一个新奇的研究领域。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法，可以实现单个纳米线-量子点耦合的单光子发射光源，具有发射效率高，可控性良好和制备工艺简单的优点。

本发明提供一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一半导体衬底，在该半导体衬底上生长二氧化硅层，该二氧化硅层上含有氧化孔洞；

步骤2：对生长有二氧化硅层的半导体衬底进行清洗；

步骤3：采用自催化的方法，在二氧化硅层上生长GaAs纳米线，该GaAs纳米线的顶端形成一Ga液滴；

步骤4：采用高As压处理消耗GaAs纳米线顶端的Ga液滴，抑制GaAs纳米线的轴向VLS生长，形成六棱柱状结构；

步骤5：在六棱柱状结构的侧壁淀积第一AlGaAs势垒层，在AlGaAs势垒层的表面低速淀积GaAs量子点；

步骤6：在GaAs量子点上覆盖第二AlGaAs势垒层；

步骤7：在第二AlGaAs势垒层的表面生长GaAs保护层，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明制备纳米线量子点单光子源具有以下有益效果：

(1)本发明采用自催化方法形成分叉纳米线量子点结构，其密度与位置均能定量的控制，可以实现单根纳米线上生长单个量子点，避免了传统制备微腔(光子晶体、微盘、微柱)的繁琐工艺。

(2)本发明将量子点与具有二维限制作用的六棱柱纳米线微腔结合起来，对载流子具有更好的三维限制作用，光谱结果表现出更好的光电学性质，可成为高效的单光子源，可工作于液氮温度下。

(3)本发明在MBE中利用自催化生长纳米线的成熟技术，具有流程简单、重复性高的优点，同时纳米线的特征尺寸均匀，具备大规模制备量子光电器件的可能。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为采用本方法生长的纳米线结构示意图；

图3为本发明结构的微区荧光光谱测试结果；

图4为本发明结构的二阶相关联函数测试结果。

具体实施方式

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法。如图1所示，同时参阅图2，本发明包括如下步骤：

步骤1：取一半导体衬底1，在该半导体衬底1上生长二氧化硅层2，该二氧化硅层2上含有氧化孔洞，该半导体衬底1的材料为GaAs(001)或GaAs(111)B，在半导体衬底1上生长二氧化硅层2，采用的是离子束溅射的方法，该二氧化硅层2的厚度为10-20nm。